基于超级电容+X 电池复合管理系统研究

吴宗华，孙 娴

（1.楚雄技师学院，云南 楚雄彝族自治州675000；2.郑州市信息技术学校，河南 郑州450018）

随着社会的进步和科技的发展，人类致力于研发利用新能源，解决能源枯竭和环境污染问题。各种储能设备不断发展，目前使用最多的是蓄电池。蓄电池的发明和应用历史悠久，人类最早发明的是伏打电池，随后发明了铅酸蓄电池，随着科技发展，又发明了镍镉电池、镍氢电池、氧化银电池、锂离子电池等，这类电池均属于化学能电池，其电能是靠化学能的转化实现的。超级电容与上述电池的储能方式不同，属纯物理方式储能，应用前景很广，但由于其能量密度低，不能完全代替蓄电池。本文尝试把超级电容与蓄电池的优点进行优化组合，解决目前市场上的蓄电池存在的问题，减少环境污染。

1 超级电容

超级电容是指介于传统电容充电电池之间的一种新型储能装置，它既具有电容快速充放电特性，同时又具有电池的储能特性，超级电容是通过电极与电解质之间形成的界面双层存储能量的新型元器件[1]。

1.1 超级电容的充放电特性

超级电容的储能原理不同于常规的蓄电池，其充放电过程及储能状态有其自身特点，受充放电电流、充放电的环境温度、充放电循环次数等因素影响，其中充放电电流是主要的影响因素。笔者通过8.4 V/1 000 F 超级电容充放电特性试验发现，超级电容的电能容量与充放电电流关系为：超级电容所存储能量E 是电容C 和内阻R 的函数。假设采用A 作为充电电流，电容C 不随超级电容的端电压变化，则最大储能密度可表示为：

式（1）中：Ce为额定电容，F；UR为额定电压，V；m 为电容器质量，kg。

额定电流是根据恒定电流放电测试得到的，计算公式如下所示：

式（2）中：Ce为额定电容，F；Ie为额定电容器时测量对应的放电电流，A；t1为放电初始电压达到U1的时间，s；t2为放电终止电压达到U2的时间，s[2-4]；U1为测量的初始电压，V；U2为测量的终止电压，V。

超级电容的电路如图1 所示。

图1 超级电容的电路图

以上电路由3 个单体为2.8 V/3 000 F 的超级电容+电压平衡器串联组成，额定电压可达8.4 V（充满电），每个超级电容的一致性较好，内阻为0.03 Ω左右，电压平衡器在额定电压内自放电电流3 μA。

用一个DC/DC 升降压模块，使其电压调节到10 V 恒压，超级电容放电时起始电压为7.66 V，终止电压为4.79 V，恒流放电电流为1.023 A，对10 Ω/20 W 水泥电阻放电，其实测放电特性如图2 所示。

图2 超级电容放电图

其放电拟合方程为U=7.66×（1.011 5）-t，t 为放电时间，以分钟计时。

充电起始电压4.79 V，将稳压电源调到8.4 V，终止电压6.81 V，其实测充电特性如图3 所示。

图3 超级电容恒压充电图

由图3 可以看出，超级电容仍按指数曲线特性充放电。

1.2 超级电容的应用及局限性

超级电容功率密度高，大功率输出电能，其输出功率是蓄电池功率的40 倍以上，可以实现秒级充电，充电次数达50 万次以上，而且反复循环其容量没出现明显下降，因此，超级电容可做大功率电源，比如电动车的启动、电动汽车的上坡、轨道交通车等。但由于超级电容能量密度低，每次充电与蓄电池相比电能较小，不能长时间放电，所以超级电容存在单独使用时体积较大的局限。

2 X 电池的特点

X 电池泛指除一次性电池外，可以实现二次充电重复使用的电池，比如铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、氧化银电池、锂离子电池等，二次电池中目前常用的是锂电池，以锂电池作为X 电池来研究，锂电池的充电特性比较稳定，通常有恒压充电、恒流充电及阶梯式充电。本文用锂电池Doublepow18650 做恒流放电测试，其单体电量3 400 mAh（12 580 mWh），实测其恒流放电特性如图4 所示。

图4 锂电池恒流放电

从图4 可以看出，不同的放电速率其放电时间也不同，满格放电电压从4.2 V 到3.6 V，近似为一条斜率为负的直线，而且近似相互平行，即斜率仅与锂电池内阻有关，与负载无关。可以看出大电流放电对其特性影响较小，其恒流放电直线部分可用下述公式描述：

式（3）中：U0为恒流放电起始电压，实验中取4.2 V；Ui与放电倍率有关；k 为放电曲线斜率；t 为放电时间。

从图4 可以看出：锂电池在长时间放电过程中电压相对稳定；电池可大电流放电；当电压低于2.8 V 后，曲线比较陡峭，降压幅度明显，低于2.8 V 后会造成永久性损坏。

锂电池在众多的二次电池中具有自身优点：储存能量大、放电电压性能稳定等。但也存在一些缺点，比如大电流充电时，电池的稳定性变差，电池容易过热，造成永久性损坏，甚至会引起燃烧爆炸等危险事故。

3 超级电容+X 电池系统

超级电容和蓄电池是两个不同的储能系统，超级电容通过物理过程储存电能，蓄电池通过化学过程储存电能，但二者的释放电能目标是一致的，为其他设备提供电能动力。

3.1 超级电容+锂离子电池充电系统

系统设计分别如图5 和图6 所示。

图5 串联型充电

图6 并联型充电

图5 是串联型充电，超级电容和锂电池同时充电，二者实现优势互补，超级电容能大电流充电，可在10 s～10 min内充满电，但超级电容的能量密度较低，与锂电池同等能量下，其体积将会很大。图6 是并联充电，由于超级电容瞬间充电电流很大，电容器近乎短路，锂电池充电电压近于0，随着电容器电压的升高，锂电池进入充电状态。

3.2 超级电容+锂离子电池放电系统

改进后的系统，如图7 所示，直接将超级电容与锂电池串联起来，通过CD/CD 调压装置可以对负载进行恒压放电。实验中超级电容用2.8 V/3 000 F，额定电能为3 Wh 的两个串联，锂电池用Doublepow18650，单体电量3 400 mAh（12 580 mWh）。

图7 改进后的系统

超级电容：U1=2.783 V，U2=2.792 V，U1+U2=5.57 V。

锂电池：U3=4.17 V。

U1+U2+U3=9.74 V（初始），输出电压为6 V。

负载用水泥电阻：R=5 Ω/20 W。

额定输出电流：I=U/R=6/5=1.2 A。

其中CD/CD 是调压装置，转化效率为96%以上，实测特性如图8 所示。

图8 改进后的系统放电图

当放电电压为4.97 V，放电时间可达100 min 以上；停止放电后，超级电容电压U1+U2=1.56 V。锂电池电压为3.413 V。额定总能量为6+12.58=18.58 Wh。100 min 放电E=P×t=6×1.2×100/60=12 Wh。超级电容仍有余能可以放出，如果要提高超级电容的输出能量，可以考虑采取下列2 种方案：增加锂电池串联节数（电压），这样可以使超级电容放电到0 V，彻底释放掉电容的能量；超级电容采用并联，同时增加锂电池串联节数。

4 结论

考虑到超级电容安全及充放电次数高达几十万次的特性，增加超级电容数量，减少安全性较差的锂电池数量，实现二者优势互补。利用超级电容的大电流充电特性，实现短时间内快速充电，解决需随时补充电能做动力能源的难题，能大幅度提高系统的整体安全性能，减少环境污染，也解决